引线键合的界面特性
李军辉,谭建平,韩 雷,钟 掘
(中南大学 机电工程学院,湖南 长沙,410083)
摘要: 利用扫描电镜和EDS能谱分析研究了Al-Al,Au-Al和Au-Ag超声键合横界面和纵切面的微观结构特性及其变化,分析了键合界面结构随超声功率和作用时间变化的规律。研究结果表明:超声键合界面的形状特性像一个中央未结合的椭圆,皱脊周边产生键合,其键合强度取决于激烈起皱的周边和未结合的中央面;当作用力和功率固定时,随着时间的增加,键合区向中央延伸;当作用力和作用时间固定时,随功率的增加,焊接区里皱脊面扩大;Au-Ag扩散偶的Kirkendall扩散效应及Au-Al键合界面可能形成金属间化合物。
关键词: 电子封装; 超声键合; 微观结构
中图分类号:TN45 文献标识码:A 文章编号: 1672-7207(2005)01-0087-05
Characteristics of Wire Bonded Interface
LI Jun-hui, TAN Jian-ping, HAN Lei, ZHONG Jue
(School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: Lift-off and longitudinal section characteristics on ultrasonic bonded micro-interface including Al-Al, Au-Al and Au-Ag were observed by means of scanning electron microscope and energy dispersive spectrum. Microstructures of the bond interface were evolved by the ultrasonic variables, i.e., power and time. The results show that the peeling underdeveloped bonds simulate a torus (or doughnut) with an unbonded central region and ridged peripheral region. Bond strength is located between the severely ridged periphery and the non-adhering central area of the bond. For constant force and time, the ridged area of the bond pattern is increased in size with increasing power. For constant force and power, the ridged location of the bonded region moves closer to the bond center with increasing time. Kirkendall effect in Au-Ag interface and intermetallic compounds in Au-Al interface are confirmed.
Key words: electronic packaging; ultrasonic bond; microstructure
当超声键合应用于电子封装的微引线互连技术时,很多研究者致力于其键合机理研究,目前,主要有以下几种观点:
a. 摩擦热键合。直观地认为截面超声振动摩擦导致急剧温升形成热键合[1,2]。K.C.JOSHI通过测定发现在最佳条件下引线和基板间无相对运动[3],G.G.HARMAN通过试验测定得出键合界面温升70~80 ℃[4],超声键合中这样的低温不能形成热熔化焊接,证明摩擦键合的观点是不合理的。
b. 超声软化。在超声能作用下,Al的杨氏模量减少[5], 在高频超声辐射效应下, Al,Ca,Be,Zn,Cu,Au和Fe等材料都发生金属软化作用[6],但软化机理难以确定。
c. 振动运动。通过激光干涉仪测量高频运动, 研究振动与能量的传递,功率、力、时间与振动的关系。超声能在界面键合经10 ms后,振动趋于稳定,超声振幅控制在40~200 μm较佳[7,8]。
d. 试验观察,建模解释。在显微镜下,观察焊接区形貌,像一个中央未键合的椭圆,建立键合的力学模型。其特性是超声动态应力和静压应力共同作用的结果[8],由界面现象和塑性模型[9],经实验研究并建立超声键合的可靠性模型[10]。
在此,作者对键合界面的扫描电镜(SEM)照片进行研究,并对键合界面的EDS能谱进行测试、分析。
1 实验设计
1.1 键合界面的基本材料体系
a.基垫材料:芯片键合区,基垫为Al层;实验基板键合区,基板为Ag层。
b.焊接材料:直径为40 μm的Al-Si丝(即添加0.5%Si以合金强化);直径为18 μm的Au丝和80 μm的Au球(见图1)。
图 1 键合界面测试材料体系
Fig. 1 Test material system in bonding interface
1.2 键合设备和测试仪器
键合仪器为CWD-3型超声波微引线点焊机和T/S-2100金丝球焊机;测试仪器为KYKY2800扫描电镜(SEM)和Finder TM EDS能谱测试仪。
1.3 实验测试
1.3.1 第1组实验
采用CWD-3型超声波点焊机,将直径为40 μm的硅铝丝键合到芯片Al层,并获取键合界面。
采用T/S-2100金丝球焊机,将Au凸点芯片(来自美国微电子制造商)倒扣于基板Ag层,经热超声键合,再获取键合界面和纵切面。
1.3.2 第2组实验
采用T/S-2100金丝球焊机,将直径为18 μm的Au丝通过劈刀楔焊于芯片Al层,在其他条件不变的情况下,单独调整超声功率或焊接时间进行多组测试,分别在SEM下观察界面微观变化特性。
1.3.3 第3组实验
采用T/S-2100金丝球焊机,将直径为18 μm的Au丝通过劈刀球键合于芯片Al层,在SEM下观察Au-Al纵切面微观特性及进行EDS能谱测试。
2 实验现象与分析
2.1 界面结构性状
图2所示为从Al垫剥去直径为40 μm的硅铝丝暴露的键合模式,周边粗糙如脊形,中央为光滑样本,其键合工艺条件为:功率0.5 W,压力150 mN,时间0.1 s,室温24 ℃)。图中键合区周边发生了物理破坏,形如皱脊,中央没有发生破坏,超声波在中央未形成键合。这是因为易受波动影响的键合引线的周边材料在基垫下产生一种强大的净化作用和机械应力。如CWD-3键合机,超声频率f=45 kHz,ω=2πf=2.83×105 Hz,用PSV-400-M2型高频激光多普勒振动计测试其振幅A=2.4 μm。故加速度峰值为:
a=Aω2=2.4×10-6·(2.83×105)2≈
2.0×105 m·s-2,
是重力加速度的2.0万倍,这种强的机械效应激活晶格位错和增加原子的迁移率,同时,去除界面的脆性氧化物、暴露洁净的金属表面,产生高强度的原子键合。
图 2 SEM下界面微观结构
Fig. 2 SEM microstructure of below interface
图3所示为Au-Ag超声键合界面,其微观结构形如坚果截面。图4所示为a点的EDS能谱曲线,各点的EDS能谱测试数据见表1,其测试结果表明,键合中心(a点和b点)没有Au,为100%的Ag;而在皱脊周边(c点,d点和e点)才有不同比例的Au和Ag。EDS能谱测试结果证实了界面的微观结构像一个中央未结合的椭圆。
Au-Ag组成的扩散偶,Au和Ag界面相互扩散,按照Kirkendall扩散效应,扩散速度取决于扩散系数DAu和DAg。从图3(b)可见,Au球界面上点1,2,3,4和5为100%的Au,没有Ag,这说明DAu>DAg,即Au的扩散比Ag的扩散更为迅速。
(a)和(b)为1对分离的键合界面暴露的键合模式
图 3 Au-Ag超声键合界面模式
Fig. 3 Pattern of Au-Ag ultrasonic
bonded interface
表 1 Au-Ag界面EDS能谱测试数据
Table 1 Results of EDS tests at Au-Ag interface
图 4 a点的EDS能谱测试曲线
Fig. 4 EDS tests curve of point a
总之,键合区沿着超声振动方向像一个中央未键合的椭圆(见图5),这个微观特性是G.G.HARMAN首先发现的[7].EDS能谱测试结果和纵切面的SEM特性反映了超声键合微观性状:皱脊周边区环绕着未变形的中心面,键合强度取决于激烈起皱的周边和粘合的中心面。其微观性状与据摩擦模式和滑动模式实现键合的理论所得出的微观性状是不同的,因为这2种理论都预计中央键合质量最佳。所以,摩擦和滑动是超声键合的副产品。
图 5 键合特性图
Fig. 5 Pattern of ultrasonic bonded
characteristics
2.2 界面结构变化
超声能的功率、超声能作用时间是超声能作用的重要机械参数,它们的变化将影响着界面微观结构。
2.2.1 功率对界面结构的影响
超声能在键合中起关键作用,可使键合压力明显降低,键合时间大大缩短。超声波的功率对键合过程中微界面结构变化特性如图6所示。可见,在其他条件保持常值(即压力为700 mN,时间为30 ms)时,超声能的功率P增加,使得焊接区里皱脊面扩大。
2.2.2 时间对界面结构的影响
超声能一般在一个较短的周期(例如50ms)里在界面完成键合,时间过长会增加引线和劈刀的粘合,降低键合的可靠性。一个优化的周期必须确保能量传到界面形成牢固的键合。时间对键合过程中微结构变化表现为:在其他条件保持常值(即压力为700 mN,功率为1.75 W)时,焊接时间t增加,键合皱脊区逐渐向中央延伸,如图7所示。
超声能对界面微观结构的变化规律为优化超声键合参数提供理论依据。
2.3 Au-Al界面成分
图8所示为Au-Al纵截面微观结构,其键合工艺条件为:功率1.75 W,压力700 mN,时间35 ms,加热温度250 ℃。 图中A,B和C点的EDS能谱测试结果见表2。由表2可知,A点成分与化合物AuAl类似,这是一种金属间化合物,B点和C点是一定溶解度的固熔组织。在Au-Al材料界面,焊接处可能形成金属间化合物,通常是Au的含量比Al的含量多,金属间化合物的晶格常数、膨胀系数及形成过程中体积的变化都是不同的,而且多呈脆性,导电率都较低,少量的金属间化合物对界面键合强度起一定强化作用,金属间化合物过多时导致键合强度降低、变脆,以及接触电阻变大等,最终可导致器件在开路或器件的电性能退化。所以,必须控制工艺,以尽可能地减少金属间化合物的生成。
(a)—功率为1.5 W; (b)—功率为2.5 W
图 6 超声功率增加引起皱脊面扩大的键合模式
Fig. 6 Increase of ridged area of bond pattern in size with increasing power
(a)—超声时间为10 ms; (b)—超声时间为15 ms
图 7 超声时间增加引起皱脊区逐渐向中央延伸的键合模式
Fig. 7 Moving closer to bond center of ridged location of bonded region with increasing time
图 8 Au-Al纵截面微观结构
Fig. 8 Au-Al longitudinal section
microstructure
表 2 Au-Al界面EDS能谱测试结果
Table 2 Results of EDS tests at Au-Al interface
3 结 论
a.键合界面的微观结构形如一个中央未结合的椭圆,皱脊周边产生键合,皱脊周边和未粘合的中心面决定界面键合强度。与摩擦和滑动模式实现键合的理论不同,焊接中的摩擦和滑动只是超声键合的副产品。
b. 超声波的功率、时间对界面微观结构产生影响,其规律为:当其他条件保持不变时,功率增加,键合区皱脊面扩大;时间增加,键合区皱脊逐渐向中央延伸。
c. 键合界面不同材料形成的扩散偶,使键合界面产生Kirkendall原子扩散效应;对于Au-Al材[CM(22] 料系统,在键合界面可能形成一些金属间化合物如[CM)] AuAl,影响界面的机械和电性能。因此,必须控制工艺,以尽可能减少金属间化合物的生成。
参考文献:
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收稿日期:2004-05-02
基金项目:国家自然科学基金资助项目(50390064); 国家重点基础研究发展规划项目(2003CB716202)
作者简介:李军辉(1969-),男,湖南桃江人,博士研究生,从事微电子互连技术、CAD和CAE等领域的研究
论文联系人: 李军辉,男,博士研究生;电话:0731-8836499(O); E-mail: lijunhui@mail.csu.edu.cn
